Физики проследили, как рентген разбивает атомы
Физики проследили, как происходит распад атомов под влиянием ионизирующего излучения. Впервые им удалось детально изучить временную динамику этого процесса.
Высокоэнергетическое излучение, например, рентген, способно повреждать наши клетки. Это происходит потому, что такое излучение возбуждает атомы и молекулы, которые затем часто распадаются — в результате разрушаются биомолекулы, и более крупные биологические структуры могут утрачивать свои функции. Существует множество подобных процессов распада, и их изучение важно для лучшего понимания и предотвращения радиационных повреждений.
В новой работе исследователи сосредоточились на распаде, опосредованном переносом электрона (electron-transfer-mediated decay — ETMD). В этом процессе один атом возбуждается под действием излучения, после чего релаксирует, «забирая» электрон у соседнего атома, а высвобождающаяся при этом энергия ионизует еще один соседний атом.
Проследили в деталях
Авторам удалось напрямую проследить, как атомы в модельной системе перемещаются и перестраиваются перед тем, как претерпеть этот экзотический электронный распад. Опубликованная в Journal of the American Chemical Society работа стала наиболее детальным на сегодня исследованием ETMD в реальном пространстве и времени.
Модельная система состояла из одного атома неона, слабо связанного с двумя атомами криптона (тример NeKr₂). После ионизации внутренней оболочки неона мягким рентгеновским излучением ученые наблюдали за системой в течение пикосекунды — целой вечности по атомным масштабам времени, — прежде чем она наконец распалась в результате переноса электрона между соседними атомами с испусканием низкоэнергетического электрона.
Ученые восстановили геометрию молекулы в точный момент распада расчетами ab initio (от начала), оценивающими вероятность распада вдоль каждой из тысяч траекторий ядерного движения.
Оказалось, атомы не остаются застывшими в своей исходной конфигурации — они совершают выраженное блуждающее движение, постоянно меняя геометрию молекулы и сильно влияя на то, когда и как происходит распад.
«Мы буквально можем наблюдать, как атомы движутся до того, как случится распад. Этот распад не просто электронный процесс — он управляется ядерным движением очень прямо и наглядно», — говорит один из ведущих авторов работы Флориан Тринтер.
Геометрия распада
ETMD происходит не из какой-то одной «предпочтительной» структуры. На ранних стадиях распад происходит вблизи геометрии основного состояния, а позже система переходит в почти линейные и сильно искаженные конфигурации, отражая маятникообразное, блуждающее движение атомов. Это динамическое перестроение приводит к сильно зависящим от времени скоростям распада, которые могут различаться почти на порядок в зависимости от геометрии.
«Атомы исследуют обширные области конфигурационного пространства, прежде чем распад окончательно произойдет. Это показывает, что ядерное движение — не второстепенная поправка, а фундаментальный фактор, контролирующий эффективность неместного электронного распада», — резюмирует старший автор исследования Тилль Янке.
ETMD эффективно генерирует низкоэнергетические электроны, которые, как известно, вызывают химические повреждения в жидкостях и биологических тканях. Поэтому так важно понимать, как он зависит от молекулярной структуры и движения частиц.